超超临界锅炉水冷壁开裂原因分析

1、超超临界锅炉水冷壁开裂原因分析蔡 晖1，刘鸿国2，洪道文2，殷 尊1，(1. 西安热工研究院有限公司，西安市，710032；2.华能玉环电厂，浙江省台州市，317604）摘要：通对某超超临界锅炉在安装期间发现裂纹的水冷壁鳍片和管子进行化学成分、机械性能、示波冲击、显微硬度、金相组织、断口形貌试验等分析，得出鳍片部位存在折叠和微裂纹等轧制原始缺陷。诱发鳍片与管子焊接过程中产生裂纹并扩展的主要原因是鳍片硬度高、脆性大，而且存在原始缺陷；次因之一是鳍片与管子的焊接质量差、氧气切割时产生热应力，在切开的尖锐的直角缺口部位产生较大的应力集中，导致鳍片在缺口处开裂并扩展；次因之二是水冷壁管屏在生产工地到安

2、装工地的吊装及运输过程中在二次应力的作用下产生多次振动和冲击，在裂纹的启裂部位产生弯矩和扭矩，导致裂纹迅速开裂并扩展。关键词：超超临界锅炉；水冷壁；鳍片；开裂；应力；材料试验基金资助项目：中国华能集团公司科学技术项目（HNKJ07-G18）。doi：10.3969/j.issn.1000-7229.2010.08.000Reason Analysis of the Water-wall Craze on Ultra-supercritical BoilerCAI Hui1，LIU Hong-guo2，HONG Dao-wen2，YIN Zun1（1Xian Thermal Power Rese

3、arch Institute Co. Ltd.，Xian 710032，China；2Huaneng Yuhuan Power Plant，Taizhou 317604，Zhejiang Province，China）ABSTRACT： It was found that there were multiple cracks between rectangular fins and tubes of dry bottom hopper water wall, cracks up to 30mm during the installation of supercritical unit boil

4、er in a 600 MW power plant. The cracking tubes and fins of dry bottom hopper water wall were studied by means of chemical composition, tensile, impact, hardness test, microstructure and fracture scanning electron microscope in this paper. The result indicated that the fold, micro crack and other rol

5、ling genetic defects so on exist in fin area, whose high hardness, brittleness, internal defects were induced in cracks and expands in the fin and tube welding process. The main cause of crack initiation was poor welding quality and high hardness difference between fin and tube. The thermal stress w

6、as generated when oxygen cutting, and particularly, a greater stress concentration in sharp right-angle gap site, which result in fin cracking and expansion. Meanwhile, under secondary stress in the lifting, handling and transporting process repeated vibration and impact were produced,and the moment

7、 and the torque were generated in crack initiation site, finally cause crack along the longitudinal direction near 45 ° and the rapid crack extension.KEYWORDS：ultra-supercritical boiler；water wall；rectangular fin；craze；stress；material testing6 / 6文档可自由编辑打印0 引言近年来，我国高参数、大容量的火电机组建设突飞猛进，大量超超临界机组相继

8、投运。这些机组在设计、制造、安装、调试等方面采用了诸多的新技术、新材料、新工艺、新方法，也暴露出一些技术和质量方面的问题1-3。以下针对某超超临界锅炉水冷壁在安装过程中发现的开裂问题4-5进行分析及探讨。1 问题概述该超超临界锅炉水冷壁采用膜式管圈内螺纹管，内螺纹管为瓦鲁瑞克公司生产的规格28.6×5.8mm、材料SA213T12；查阅产品质量证明书该批管子制造工艺为冷拔后950 正火、700 回火热处理，所有检验项目均合格；锅炉厂入厂验收报告均合格；鳍片材料为国产15CrMoG。水冷壁管排用单根管子冷弯成型后拼焊成小屏，然后组焊成大屏。鳍片与管子角焊缝采用CO2气体保护焊，焊前未进

9、行预热，焊后在640 下热处理。在锅炉安装检验中，发现水冷壁鳍片和管子存在多处开裂，其中一鳍片有2处开裂，长度分别达30 mm、25 mm，开裂部位均起源于长管与短管相连接的鳍片端部，在氧气切割多余鳍片形成的直角缺口根部启裂并沿着管子纵向近45°方向扩展，见图1。（a）开裂形貌 （b）开裂部位的着色探伤 （c）水冷壁管子开裂形貌图1 某超超临界锅炉水冷壁开裂示意图Fig.1 Sketch mapof the USC water-wall2 开裂管的宏观形貌观察沿管子的横向和轴向剖开，检查管子不同区段的壁厚，得出管子壁厚大于名义壁厚。观察开裂管裂纹及邻近管段、鳍片等宏观形貌，可见裂纹起

10、源于氧气切割鳍片形成的直角根部，裂纹启裂后沿着鳍片与管子的焊缝纵向扩展，随后沿着纵向近45°方向裂开。3 管样材料试验3.1 化学成分分析管样的化学成分分析结果见表1，其化学成分满足技术条件要求。按GB5310和ASME标准，Cr含量略低，Cr在a铁中无限固溶，随着含量的增加形成铁碳化合物，溶于渗碳体中的Cr可以提高碳化物的热稳定性，抑制石墨化的产生6，该材料在GB 2222006钢的成品化学成分允许偏差要求的范围内7，对常温性能影响不大；其余元素的含量均符合要求。 表1 管样化学成分分析结果Tab.1 Result of chemolysis on tube元素水冷壁取样管(T12

11、) GB 5310-2008ASTM SA213 2004 T12C0.120.120.180.15Si0.250.170.370.50Mn0.520.400.700.300.61S0.0090.0300.045P0.0200.0300.045Cr0.760.801.100.801.25Mo0.470.400.550.440.65 注：表中数据为质量百分比。3.2 拉伸和冲击性能试验取2根管样，沿纵向分别制备拉伸和冲击试样，在室温下按照GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法和GB/T 229-2007金属夏比缺口冲击试验方法进行拉伸和冲击试验，结果见表2、表3。由表2可见管样的拉伸

12、性能符合GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管和ASTM SA213-2004 T12锅炉、过热器及换热器用无缝铁素体及奥氏体合计钢管的技术要求。由表3可见管样的非标准小冲击试样获得的冲击功也满足GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管的技术条件，表明管样的室温拉伸和冲击性能良好。表2 管样室温拉伸结果Tab.2 Room temperature tensile test results of sample tubes项目（Rel/s）/MPa（Rm/b）/MPa（A/5）/%纵向试样1A面34047033.5试样1B面32545533.5试样2A面34047029.0试样2B面3304

13、6531.5GB 5310-200829544064040ASTM SA213-2004 T1222041530 注：Rm/b为抗拉强度；Rel/s为规定非比例延伸强度；A/5为断后伸长率。表3 管样室温冲击试验结果Tab.3 Room temperature impact test results of sample tubes项目1号样2号样A面B面A面B面冲击功/J80848186GB 5310-2008纵向40（J） 横向27（J）3.3 维氏硬度试验对2根管样的钢管、鳍片和焊缝及热影响区等部位分别在FM-700型显微硬度计上测定维氏硬度，负荷500 g、保持时间12 s，测量结果见表

14、4。由表4可见焊缝区域硬度值最高、热影响区次之，鳍片的硬度值也较高，而钢管的硬度正常，但其与焊缝的硬度值差异很大，达到114 HV。表4 管样维氏硬度试验结果Tab.4 Vickers hardness test results of sample tubes检测部位测量值/HV平均值/HV1号热影响区224235255.3212.4231.7焊缝256.2255.8260.7257.5257.6管子141.4144.4148.3140.4143.6鳍片205.9216.4209.8210.2210.62号热影响区231.4220.6287.6220.4240.0焊缝263.6255.8277

15、.1265.8265.7鳍片219.0236.5261.6274.4247.93.4 金相组织检验分别从管样的直管段和弯头部位制取纵向和横向金相试样进行微观组织检验，金相组织形貌见图2（放大倍数为400倍），纵向和横向金相均为珠光体十铁素体，晶粒度910级。管子内外壁无脱碳层，其夹杂物、晶粒度和微观组织均符合GB53102008高压锅炉用无缝钢管的技术要求。 （a）横截面组织 （b）纵截面组织 图2 管样金相组织Fig.2 Microstructure of sample tubes4 鳍片材料试验4.1 化学成分分析取3处鳍片进行化学成分分析，结果见表5，由表5可见鳍片的化学成分满足GB 5

16、310-2008高压锅炉用无缝钢管的技术条件要求。表5 鳍片化学成分分析结果Tab.5 Result of chemolysis on rectangular fin元素1号鳍片2号鳍片3号鳍片GB 53102008C0.160.160.150.120.18Si0.250.280.240.170.37Mn0.460.510.470.400.70S0.0300.0290.0250.030P0.0110.0140.0110.030Cr0.910.980.930.801.10Mo0.500.440.430.400.55注：表中数据为质量百分比。4.2 拉伸和硬度性能试验沿着鳍片纵向分别制备拉伸和硬度

17、试样，在室温下按GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法进行拉伸性能试验，结果见表6。由表6可见鳍片的拉伸性能不符合GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管的技术要求。表6 鳍片拉伸和硬度试验结果Tab.6 Tensile test and vickers hardness test results of rectangular fin项目（Rel/s）/MPa（Rm/b）/MPa（A/5）/%HRC试样1A面85510421922试样1B面85510371922试样2A面82087023打不出试样2B面82091519.528GB 5310-200829544064021注：Rm

18、/b为抗拉强度；Rel/s为规定非比例延伸强度；A/5为断后伸长率。4.3 微观金相组织检验分别对鳍片制取纵向和横向金相试样进行微观组织检验，金相组织形貌见图3（放大倍数为400倍）。鳍片组织均为铁素体十碳化物，晶粒度细于8级，均存在加工缺陷。 （ a）横截面组织 （b）纵截面组织 图3 鳍片金相组织Fig.3 Microstructure of rectangular fin4.4 鳍片检验结论对鳍片材料的宏观及微观检验表明鳍片材料的轧制质量差，存在着大量的折叠、微裂纹、离层、表面沟槽划痕等轧制原始缺陷；其抗拉强度为8201 042 MPa，远高出GB 53102008高压锅炉用无缝钢管中抗

19、拉强度为440640 MPa的要求，且延伸率不合格。试验数据结果表明鳍片材料脆性大，在焊接过程的热应力和拘束应力作用下易产生裂纹并扩展。5 鳍片与管子焊缝区的检查沿着管子与鳍片的横截面取样，肉眼即可观察到鳍片与管子焊缝处存在着裂纹、未融合、未焊透及空洞等缺陷，见图4，多数未焊透缺陷长约3.0 mm，严重的甚至达到5.2 mm；由鳍片与管子焊缝区域横截面缺陷照片可见鳍片与管子焊缝处的多种缺陷，这些缺陷即裂纹源，有的裂纹已发展到管子部位。这表明鳍片与管子的焊接质量差。 （a）鳍片焊缝部位宏观缺陷 （b）裂纹始于未熔合区边缘向鳍片内发展（c）焊缝处的裂纹向管子发展 （d）鳍片表面向厚度方向发展的裂

20、（e）鳍片与管子焊缝的未熔合缺陷图4 鳍片焊缝部位照片Fig.4 Weld photograph of rectangular fin6 断裂面的形貌观察6.1 断裂区和断口的宏观形貌特征图5（a）显示了启裂区断口的宏观形貌特征，由图5（a）明显可见启裂区的焊接缺陷；图5（b）为从鳍片到管子的断裂过渡区，图5（c）显示出断裂面的碰磨特征。 （a）启裂区的焊接缺陷（b）鳍片到管子的断裂过渡区的台阶状条纹 （c）断裂面上的氧化附着物图5 断裂面的宏观形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface6.2 断裂区和断口的扫描电镜观察在Quanta 400 HV

21、扫描电子显微镜下对断裂面进行观察，同时用光学显微镜观察裂纹的断裂形貌，明显可见断裂面上有锈蚀的氧化物、台阶条纹、明显的碰磨挤压痕迹。裂纹主要为穿晶断裂，局部延晶扩展，断裂面上有解理断裂特征和二次裂纹，见图6，呈大应力作用下多次振动冲击形的断裂特征。 （a） 断裂面上的台阶条纹 （b）断裂面上的碰磨挤压特征 （c）裂纹主要为穿晶，局部沿晶扩展 （d）断裂面上的类解理断裂特征 （e）断裂面上的二次裂纹 （f）断裂面上的二次裂纹图6 断裂面的微观形貌Fig.6 Micro-morphology of fracture surface7 原因分析鳍片部位存在折叠和微裂纹等轧制原始缺陷，其硬度高、脆性大、内部缺陷是诱发鳍片与管子焊接过程中产生裂纹并扩展的主要原因；裂纹启裂的主因是鳍片与管子的焊接质量差，硬度差高，在氧气切割时产生热应力，在切开的尖锐的直角缺口部位产生较大的应